JPH01303704A

JPH01303704A - 磁場補償装置

Info

Publication number: JPH01303704A
Application number: JP63132780A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Kuroda; 黒田　成紀
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-06-01
Filing date: 1988-06-01
Publication date: 1989-12-07

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、ＮＭＲ（磁気共鳴）装置用超電導マグネッ
ト等の主コイルが発生する主磁場に含まれる軸方向誤差
磁界成分を補償する磁場補償装置に関し、特に小形で安
価且つ高精度の磁場補償装置に関するものである。

［従来の技術］一般に、ＮＭＲ装置用マグネット装置においては、被検
体が設置される領域の空間磁場均一性が重要な特性の１
つである。従って、磁場の高均一化を計るため、マグネ
ット装置の出力磁場発生用主コイルに関しては、形状又
は電流密度分布等に種々の工夫が施されている。

しかし、主コイルの製作精度や温度条件等のマグネット
内部条件、又は、マグネット近傍に強磁性体が配置され
る等の外部条件により、高均一磁場は乱され易い、この
ため、従来より、ＮＭＲ装置用マグネット装置には、主
コイルにより発生する磁場の軸方向の誤差磁界成分を補
償するための磁場補償装置が内蔵されている。

一般に、誤差磁界成分は、磁場中心点での磁場出力のマ
クロ−リン展開（Ｍａｅｌａｕｒｉｎ　ｅｘｐａｎｓｉ
ｏｎ）で表現できる。従って、磁場中心点近傍の任意の
点（ｘ、ｙ、ｚ＞における磁場出力Ｂ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は
、に＝ｏ〜■の総和式、Ｂ　（Ｘ　、Ｙ　、Ｚ　）＝Σ（Ｘａ　ｌａ　Ｘ十Ｙ（９ｌａ　Ｙ＋　Ｚ８　ｌａ
　Ｚ）ｋＢ（０，０，０）／に＝ＢＯ＋ＢＩＸ＋Ｂ２Ｙ
＋Ｂ３Ｚ十８４Ｘ’　＋　ＢｓＹ２＋　Ｂ１２”　＋　Ｂ７ＸＹ
　＋　Ｂ、ＹＺ＋　ＢｓＺＸ＋・・・・・・■ で表わされる。ここで、Ｂｏは必要な均一磁場成分を示
し、Ｂ、Ｘ、Ｂ２Ｙ、Ｂ、ＺＧｉ直交３軸Ｘ−Ｙ、Ｚの
各方向に対する１次誤差磁界成分、以下、順次高次誤差
磁界成分を示す。そして、主コイルにより発生する主磁
場が２方向を向いている場合、０式において、ｚ、ｚ２
、Ｚ３、・・・等のＺのみを含む誤差磁界成分を軸方向
誤差磁界成分と呼び、他の（Ｘ、Ｙを１個以上含む）成
分を径方向誤差磁界成分と呼ぶ。

以下、軸方向誤差磁界成分、特に４次誤差磁界成分の補
償について述べるが、この種の磁場補償装置については
、例えば、特開昭５９−９９７０８号公報又は特開昭６
１−１７２３０７号公報に記載されており、４次誤差磁
界成分の補償とは、補償ユニット全体で各成分Ｚｌ〜Ｚ
４に比例した磁場出力を得ると共に各成分毎に磁場出力
を制御することをいう、このとき、補償ユニット自体が
発生する高次誤差磁界成分を少なくするため、各成分Ｚ
５及びＺ６の磁場出力は、Ｚｌ〜Ｚ４の磁場出力に関係
なく常に零に近くなるように構成されている。

第３図及び第４図は、奇数次成分ＺＩ及びＺ３に関する
誤差磁界成分を補償するための、従来の磁場補償装置を
示す構成図及び回路図である。

図において、４個の円形コイル（３１）〜（３４）は、
主コイル（図示せず）が発生する主磁場の方向即ちＺ軸
を中心とし且つＺ軸に沿って配設されている。

一対の円形コイル（３１）及び（３２）は同一形状で同
一の半径ａ１を有し、他の一対の円形コイル（３３）及
び（３４）は同様に同一形状で同一の半径ａ２を有して
いる。

円形コイル（３１）及び（３３）、並びに（３２）及び
（３４）は、ＸＹ平面即ち中心点０に関して対称となる
位置、−２，、−２２、Ｚｌ及びＺ、に配置され、それ
ぞれ大きさが等しく逆方向の電流１１及び１２が供給さ
れるようになっている。

又、第４図に示すように、円形コイル（３１）及び（３
２）は、直列接続されて第１の補償ユニットＵ１を構成
しており、両端間に接続された電源（４１）から給電さ
れている。同様に、円形コイル（３３）及び（３４）は
、第２の補償ユニットＵ２を構成しており、電源（４２
）から給電されている。

次に、第３図及び第４図に示した従来の磁場補償装置の
動作について説明するいま、第１の補償ユニットＵ１内の円形コイル（３１）
及び（３２）に電流１１及び１２が供給されると、各円
形コイル（３１）及び（３２）により発生する磁界は、
中心点く原点）０に関して反対称となり、上述した磁場
出力のうちの偶数次成分Ｚ２、Ｚ４、・・・は零となる
。更に、円形コイル（３１）及び（３２）が配置される
Ｚ座標Ｚ、と半径ａ１との比（Ｚ　、ｌａ、）を、Ｚ　
ｌ／　ａ、　＃　０．５３０８又は、Ｚ　、　／　ａ、　Ｌ：、１．４８９に選定すれば、奇数次成分Ｚ５も零となる。又、円形コ
イル（３３）及び（３４）についても同様に構成すれば
、各奇数次成分Ｚ１及びＺ３に関する磁場出力Ｂｚ（Ｚ
’）及びＢｚ（Ｚコ）は、Ｂ　ｚ（Ｚ　＋）＝　Ａ　＋　ｉ＋　＋　Ａ　２ｉ２Ｂ
　ｚ（Ｚ　３）”　Ａ　＊ｉ＋　＋　Ａ　ｓｉ２　　　
　−・−■で表わされる。但し、Ａ１〜Ａ、は各円形コ
イル対が発生する磁界の係数であり、Ａ旨、は円形コイ
ル（３，１）及び（３２）ニより発生する磁界（’）　
Ｚ　’　成分、Ａ　２　ｉ　２は円形コイル（３３）及
び（３４）により発生する磁界のｚ’酸成分Ａ　３　ｉ
　１は円形コイル（３１）及び（３２）により発生する
磁界の２３成分、Ａ　４　ｊ　２は円形コイル（３３）
及び（３４）により発生する磁界の２３成分をそれぞれ
示す、■式より、電流ｉｌ及び１２を独立に調整すれば
、各成分Ｚ１及びｚ３に関する磁場出力Ｂｚ（Ｚ’）及
びＢ　ｚ（Ｚ　３）が独立に変化することが分かる。

第５図及び第６図は、偶数次成分Ｚ２及びＺ４に関する
誤差磁界成分を補償するための、従来の磁場補償装置を
示す構成図及び回路図である。

図において、６個の円形コイル（５１）〜（５６）はＺ
軸を中心とし且つＺ軸に沿って配設されている。

円形コイル（５１）及び（５２）は同一の半径ａ、を有
し、円形コイル（５３）及び（５４）は同一の半径ａ、
を有し、円形コイル（５５）及び（５６）は同一の半径
ａ５を有している。

円形コイル〈５１）、（５３〉及び（５５）、並びに、
（５２）、（５４）及び（５６）は、中心点０に関して
対称となる位置、　Ｚａ、−２，、Ｚｓ、Ｚ３、Ｚ４及
びＺ、に配置され、それぞれ大きさが等しく同一方向の
電流１３、ｉ、及びｉ５が供給されるようになっている
。

又、第６図に示すように、円形コイル（５１）及び（５
２）は、直列接続されて第３の補償ユニットＵ３を構成
しており、両端間に接続された電源（６１）から給電さ
れている。同様に、円形コイル（５３）及び（５４）は
電源（６２）から給電される第４の補償ユニットＵ４を
構成し、円形コイル（５５〉及び（５６）は電源（６３
）から給電される第５の補償ユニットＵ５を構成してい
る。

この場合、各円形コイル（５１）〜（５６）が発生する
磁界は中心点Ｏに関して対称となり、奇数次成分２１．
２３、・・・は零となる。更に、円形コイル（５２）〜
（５６）が配置されるＺ座標Ｚ、〜Ｚ、と半径ａ、〜ｌ
Ｌ５との比を、それぞれ、Ｚ　３　／　ａ　３　＃　０　、２２Ｚ、／ａ、勾０．７４Ｚ　ｓ／　ａｓ　＃１．７８に選定すれば、偶数次成分Ｚ６も零となる。

即ち、各偶数次成分Ｚ　Ｏ、Ｚ　２及びＺ４に関する磁
場出力Ｂ　ｚ（Ｚ　’）、Ｂ　ｚ（Ｚ　２）及びＢ　ｚ
（Ｚ　’）は、ＢＺ（Ｚｏ）＝ＡＳｉｌ　＋Ａｇ１４＋
Ａ？ｉ５Ｂ　ｚ（Ｚ　’）＝　Ａ　ｓｌｔ　＋　Ａ　ｓ
Ｌ　＋　Ａ　＋ｏｉｓＢ　ｚ（Ｚ　’）＝Ａ　＋旨３＋
　Ａ　＋２ｉｌ＋Ａ　＋、：ｓ　　　”・■で表わされ
る。但し、Ａ、〜Ａ１２は各円形コイル対が発生する磁
界の係数である。０式に示すように、Ｚｏの磁界成分Ｂ
　ｚ（Ｚ　０）も出力されるが、通常この値は零となる
ように各電流ｉ、〜ｉ、が設定されている。

実際には、第３図及び第４図に示した奇数次成分に関す
る補償ユニットと、第５図及び第６図に示した偶数次成
分に関する補償ユニットとを組み合わせて、例えばＮＭ
Ｒ装置用超電導マグネットに設置する。

第７図は第３図〜第６図に示した補償ユニットの設置状
態を示す断面図である。

図において、補償ユニットを構成する常電導の補償コイ
ル（７０）は超電導マグネットの開口部（７１）内に配
置され、又、補償ユニットを構成する超電導の補償コイ
ル（７２）は超電導主コイル（７３）の外側に配置され
ている。補償コイル（７０）及び（７２）は、併設され
る場合もあり、一方のみが設置される場合もある。

液体ヘリウム槽（７４）は補償コイル（７２）及び超電
導主コイル（７３）を密閉して極低温に保ち、液体窒素
槽（７５）は液体ヘリウム槽（７４）を被覆し、更に、
真空槽（７６）は液体窒素槽（７５）を被覆している。

又、一般に、ＮＭＲ装置の場合、磁気シールドのために
、補償コイル〈７０）又は（７２）の近傍には磁性体（
図示せず）が設けられている。

［発明が解決しようとする課題］従来の磁場補償装置は以上のように、誤差磁界成分Ｚｌ
〜Ｚ４に関する補償ユニットを奇数次項と偶数次項とに
分けてｔｉ或し、中心点Ｏに対して対称配置するために
各補償ユニット毎に２個の円形コイルを使用している。

又、各円形コイル（３１）〜（３４）及び（５１）〜（
５６）の製作寸法精度は、補償精度に影響するため厳し
く要求されている。従って、誤差成分の補償次数を７５
及び２６等の高次項まで含めようとすると、同一層内に
円形コイルが配置できないため、層数が増加して装置が
大形化すると共に不経済であるという問題点があった。

又、ＮＭＲ装置用マグネットのように、補償コイル（７
０）及び（７２）の近傍に磁性体が設けられている場合
は、磁性体の影響により不要磁界が発生し、補償精度が
悪化するという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、円形コイルの個数及び層数を少なくして小形
且つ安価にすると共に、円形コイルの製作寸法精度や磁
性体の影響を少なくした高精度の磁場補償装置を得るこ
とを目的とする。

［課題を解決するための手段］この発明に係る磁場補償装置は、主磁場に沿って同心的
に配置された複数の円形コイルと、これら円形コイルに
個別に電流を供給するための複数の電源とを備え、各円
形コイルの磁界出力が誤差磁界成分の奇数次成分及び偶
数次成分を含むと共に、磁界出力の総和が誤差磁界成分
を補償するように各電流を決定したものである。

［作用］この発明においては、個別の補償ユニットとなる各円形
コイルの構成に応じて通電電流を決定する。

［実施例コ以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図及び第２図はこの発明の一実施例を示す構成図及び回
路図である。

図において、７個の円形コイルク１１）〜（１７）はＺ
軸を中心とし且つＺ軸に沿って配設されている。

各円形コイル（１１）〜（１））は、それぞれが１つの
補償ユニット（補償コイル）を構成しており、個別の半
径ａ、〜＆１．を有し、各Ｚ座標Ｚ、〜Ｚ１７に配置さ
れ、電流ｉ、〜ｉ＋ｔが供給されるようになっている。

又、第２図に示すように、各円形コイル（１１）〜（１
７）は、個別の電源（２１）〜（２７）から給電されて
いる。

この場合、各円形コイル（１１）〜（１７）の配置条件
に、前述のような中心点Ｏに対する対称性やＺ座標に関
する制限事項は存在しない。

次に、第１図及び第２図に示したこの発明の一実施例の
動作について説明する。

各電源（２１）〜（２７）により円形コイル（１１）〜
（１））が励磁されると、Ｚ軸方向の磁界成分が磁界出
力Ｂ　ｚ（Ｚ　Ｏ）〜Ｂ　ｚ（Ｚ　＠）として発生する
。

このとき、円形コイル（１１）〜（１７）の配置に制限
事項がないため、各円形コイル（１１）〜（１７）から
発生する磁界成分には、Ｚ軸方向の磁界成分の全ての次
数項が含まれる。

又、逆に、成るＺ軸方向の磁界成分は、全ての円形コイ
ル（１１）〜（１１）が発生する磁界成分の和として、Ｂｚ（Ｚ’）＝Ｃｏ旨＋　＋　＋Ｃｏ２！＋２＋　Ｃｏ
ａｉ＋３＋　−＋　Ｃ５ｔｉ＋ｔＢｚ（Ｚ’）＝Ｃ，旨
ｚ　＋Ｃ＋２！Ｉ２＋Ｃ＋１ｉ１ｚ＋　＋＋　＋Ｃ＋ｔ
ｉ＋ｙＢｚ（Ｚ’）＝　Ｃ２１ｉ＋　＋　＋　Ｃ２２；
１２＋　Ｃｚ＊ｉ＋ｚ＋　−＋　Ｃ２ｔ！＋　ｔＢｚ（
Ｚ’）＝　Ｃｓ＋　ｉ＋　＋　＋　Ｃ５ｚｉＩ２＋　Ｃ
ｓ、ｉ＋＊＋　−＋　Ｃ５ｔｉ＋ｔ・・・■ で表わされる。■式において、Ｃｊｋは、第に番目の円
形コイルに単位電流を通電したときの磁場出力Ｂ　ｚ（
Ｚ　ｊ）を表わす係数である。■式は、行列式を用いる
と、・・・■ となり、■式より、各成分ｚｊの磁場出力Ｂ　ｚ（Ｚ　
ｊ）と各電流ｉ、〜ｉ＋ｔとの関係が定まる。ここで、
Ｂ　ｚ（Ｚ　’）＝　Ｂ　ｚ（Ｚ　５）＝　Ｂ　ｚ（Ｚ
　’）＝　０となるように各電流１１１〜ｉｌ、を決定
すれば、機能的に前述と同様となり、誤差磁界成分は補
償される。

尚、■式及び■式における係数Ｃｊｋの値は、各円形コ
イル〈１１）〜（１））の配置座標Ｚ、〜Ｚｌ？が分か
れば概略的に計算可能であるが、製作誤差や磁性体によ
る影響を少なくするために、例えば、超電導マグネット
製作完了時に、各円形コイル（１１）〜（１７）毎に個
別に単位電流を通電したときの磁界出力を成分分析して
設定される。従って、円形コイル（１１）〜（１７）の
製作精度及び磁性体の影響が軽減され、高精度の磁場補
償装置が実現する。

［発明の効果］以上のようにこの発明によれば、主磁場に沿って同心的
に配置された複数の円形コイルと、これら円形コイルに
個別に電流を供給するための複数の電源とを備え、各円
形コイルの磁界出力が誤差磁界成分の奇数次成分及び偶
数次成分を含むと共に、磁界出力の総和が誤差磁界成分
を補償するように、各円形コイルの構成に応じて電流を
決定するようにしたので、円形コイルの個数及び層数が
節減でき、小形軽量で安価且つ高精度の磁場補償装置が
得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す構成図、第２図は第
１図の電源構成を示す回路図、第３図は奇数次成分を補
償するための従来の磁場補償装置を示す構成図、第４図
は第３図の電源構成を示す回路図、第５図は偶数次成分
を補償するための従来の磁場補償装置を示す構成図、第
６図は第５図の電源構成を示す回路図、第７図は磁場補
償装置をＮＭＲ装置用超電導マグネットに設置した状態
を示す断面図である。り１１）〜（１７）・・・円形コイル（２１）〜（２７）・・・電源　　　１１１〜１１□・
・・電流尚、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す
。懲１図懲２図ｉ　亘　襲−五　ゑ　−西一　立形３図心４図形５図も６図

Claims

【特許請求の範囲】主コイルが発生する主磁場の軸方向の誤差磁界成分を補
償するための磁場補償装置において、前記主磁場に沿っ
て同心的に配置された複数の円形コイルと、これら円形コイルに個別に電流を供給するための複数の
電源とを備え、前記各円形コイルの磁界出力が前記誤差磁界成分の奇数
次成分及び偶数次成分を含むと共に、前記磁界出力の総
和が前記誤差磁界成分を補償するように前記各電流を決
定したことを特徴とする磁場補償装置。